金型、看板、金物アクセサリー、広告看板、自動車ナンバープレートなどの製品への応用において、従来の腐食プロセスは環境汚染を引き起こすだけでなく、効率も低下させます。機械加工、金属スクラップ、冷却剤などの従来のプロセス適用も環境汚染を引き起こす可能性があります。効率は向上しましたが、精度は高くなく、鋭角な彫刻はできません。従来の金属深彫り方法と比較して、レーザー金属深彫りは、無公害、高精度、柔軟な彫刻内容などの利点があり、複雑な彫刻工程の要件を満たすことができます。
金属の深彫りによく使用される材料には、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、銅、貴金属などがあります。エンジニアは、さまざまな金属材料に対して高効率の深彫りパラメータの研究を行っています。
実際のケース分析：
試験プラットフォーム設備であるCarmanhaas社製3Dガルボヘッド（レンズ付き）（F=163/210）を用いて深彫り試験を実施しました。彫刻サイズは10mm×10mmです。表1に示すように、彫刻の初期パラメータを設定しました。その後、デフォーカス量、パルス幅、速度、充填間隔などのプロセスパラメータを変更し、深彫り試験機を用いて深度を測定し、最適な彫刻効果が得られるプロセスパラメータを特定しました。
表1 深彫りの初期パラメータ
プロセスパラメータ表を見ると、最終的な深彫り効果に影響を与えるパラメータが多数あることがわかります。制御変数法を用いて、各プロセスパラメータが効果に及ぼす影響のプロセスを明らかにし、一つずつ解説していきます。
01 焦点ずれが彫刻の深さに与える影響
まず、Raycusファイバーレーザー光源（出力100W、型番RFL-100M）を用いて初期パラメータの彫刻を行います。様々な金属表面で彫刻テストを実施します。305秒間、100回彫刻を繰り返します。デフォーカス量を変化させ、デフォーカスが様々な材料の彫刻効果に与える影響をテストします。
図1 焦点ずれが材料の彫刻の深さに与える影響の比較
図1に示すように、RFL-100Mを用いて様々な金属材料に深彫りを施す場合、異なるデフォーカス量に対応する最大深度は以下のようになります。上記のデータから、金属表面への深彫りにおいて最良の彫刻効果を得るには、ある程度のデフォーカスが必要であることがわかります。アルミニウムと真鍮の彫刻ではデフォーカスは-3mm、ステンレス鋼と炭素鋼の彫刻では-2mmです。
02 パルス幅が彫刻の深さに与える影響
上記の実験により、RFL-100Mの深彫り加工において、異なる材料を用いた場合の最適なデフォーカス量が得られました。この最適なデフォーカス量を用いて、初期パラメータのパルス幅と対応する周波数を変更し、その他のパラメータは変更しません。
これは主に、RFL-100Mレーザーの各パルス幅に対応する基本周波数があるためです。周波数が対応する基本周波数より低い場合、出力は平均電力よりも低く、周波数が対応する基本周波数より高い場合、ピーク電力は低下します。彫刻試験では、最大のパルス幅と最大の容量を使用して試験する必要があるため、試験周波数は基本周波数です。関連する試験データについては、以下の試験で詳しく説明します。
各パルス幅に対応する基本周波数は、240 ns、10 kHz、160 ns、105 kHz、130 ns、119 kHz、100 ns、144 kHz、58 ns、179 kHz、40 ns、245 kHz、20 ns、490 kHz、10 ns、999 kHzです。上記のパルスと周波数で彫刻テストを実施し、テスト結果を図2に示します。
図2 パルス幅による彫刻深さへの影響の比較
グラフからわかるように、RFL-100Mの彫刻では、パルス幅が狭くなるにつれて彫刻深度も減少しています。各材料の彫刻深度は240nsで最大となります。これは主に、パルス幅の狭小化によって単一パルスエネルギーが低下し、金属材料表面へのダメージが減少することで、彫刻深度が徐々に浅くなるためです。
03 周波数が彫刻の深さに与える影響
上記の実験により、RFL-100Mの最適なデフォーカス量とパルス幅が、異なる材料への彫刻時に得られました。最適なデフォーカス量とパルス幅はそのままに、周波数を変化させ、異なる周波数が彫刻深さに与える影響をテストしました。テスト結果は図3のとおりです。
図3 周波数が材料の深彫りに与える影響の比較
グラフから、RFL-100Mレーザーで様々な材料に彫刻する際、周波数が高くなるにつれて、各材料の彫刻深さがそれに応じて減少することがわかります。周波数が100kHzのとき、彫刻深さは最も大きく、純アルミニウムの最大彫刻深さは2.43mm、真鍮は0.95mm、ステンレス鋼は0.55mm、炭素鋼は0.36mmです。その中でも、アルミニウムは周波数の変化に最も敏感です。周波数が600kHzの場合、アルミニウムの表面に深い彫刻を行うことはできません。真鍮、ステンレス鋼、炭素鋼は周波数の影響を受けにくいですが、周波数が高くなるにつれて彫刻深さが減少する傾向を示しています。
04 速度が彫刻の深さに与える影響
図4 彫刻速度と彫刻深さの比較
グラフからわかるように、彫刻速度が増加すると、彫刻深さもそれに応じて減少します。彫刻速度が500 mm/sのとき、各材料の彫刻深さは最も大きくなります。アルミニウム、銅、ステンレス鋼、炭素鋼の彫刻深さはそれぞれ3.4 mm、3.24 mm、1.69 mm、1.31 mmです。
05 充填間隔が彫刻の深さに与える影響
図5 充填密度が彫刻効率に与える影響
グラフからわかるように、充填密度が0.01mmのとき、アルミニウム、真鍮、ステンレス鋼、炭素鋼の彫刻深さはいずれも最大となり、充填間隔が大きくなるにつれて彫刻深さは減少します。充填間隔が0.01mmから0.1mmに増加するにつれて、100回の彫刻を完了するのに必要な時間は徐々に短縮されます。充填間隔が0.04mmを超えると、短縮時間の範囲は大幅に縮小されます。
結論は
上記のテストを通じて、RFL-100M を使用してさまざまな金属材料を深彫りするための推奨プロセス パラメータを取得できます。
投稿日時: 2022年7月11日